العلماء تصحيح خلل التمثيل الضوئي لجعل النباتات تنمو 40 في المئة أكبر

ريان ويتوام

كل هذه الأكسجين التي تستمتع بها في التنفس لا تظهر فقط بطريقة سحرية في الجو. الأرض صالحة للعيش لأن النباتات في جميع أنحاء العالم تضخ الأكسجين كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي ، وبعضها يصبح محاصيل غذائية لذيذة بالإضافة إلى ذلك. ومع ذلك ، فإن عملية التمثيل الضوئي ليست مثالية على الرغم من العديد من دلالات التطور التطوري. لقد عمل علماء من جامعة إلينوي على تصحيح خلل في التمثيل الضوئي ، وهذا يمكن أن يحسن غلة المحاصيل بنسبة تصل إلى 40 في المئة.

في قلب البحث الجديد ، هناك عملية في النباتات تسمى التنفس الضوئي ، وهي ليست جزءًا كبيرًا من عملية التمثيل الضوئي بقدر ما هي نتيجة لذلك. مثل العديد من العمليات البيولوجية ، لا يعمل التمثيل الضوئي بشكل صحيح بنسبة 100 في المائة من الوقت. في الواقع ، واحدة من ردود الفعل الرئيسية في التمثيل الضوئي هي فقط حوالي 75 في المئة فعالة. يأتي التغيير في العملية التي تقوم بها النباتات بسبب عدم الكفاءة.

في عملية التمثيل الضوئي ، تأخذ النباتات الماء وثاني أكسيد الكربون ومعالجتهما لإنتاج السكريات (الطعام) والأكسجين. لا تحتاج النباتات إلى الأكسجين ، لذلك يتم طرده. لحسن الحظ ، نحن بحاجة إلى الأكسجين ، ونحن نخرج من ثاني أكسيد الكربون.

تكمن المشكلة التي تم تناولها في الدراسة الجديدة في وجود إنزيم يسمى الريبولوز -1،5-بيسفوسفات كربوكسيلاز-أوكسجيناز (RuBisCO). يربط هذا المركب البروتيني جزيء ثاني أكسيد الكربون بالريبولوز - 1،5 - فوسفات (RuBP). على مر العصور ، أصبح الغلاف الجوي للأرض أكثر أكسجينًا ، وهذا يعني أنه يتعين على RuBisCO التعامل مع المزيد من جزيئات الأكسجين المختلطة مع ثاني أكسيد الكربون. حوالي ربع الوقت ، ينتزع RuBisCO جزيء الأكسجين عن طريق الخطأ ، وهذا له عواقب داخل النبات.

يدرس العلماء دون أورت (يمين) وبول ساوث (وسط) وأماندا كافانا (يسار) مدى جودة أداء مصانعهم لتجاوز التنفس الضوئي بجانب النباتات غير المعدلة في ظروف العالم الحقيقي.

عندما تفكّك RuBisCO ، تترك النباتات بمنتجات ثانوية سامة مثل الجليكولات والأمونيا. يتطلب الأمر طاقة لمعالجة هذه المركبات (من خلال التنفس الضوئي) ، والتي تضاف إلى فقدان الطاقة بسبب عدم كفاءة التمثيل الضوئي. يشير مؤلفو الدراسة إلى أن الأرز والقمح وفول الصويا جميعهم يعانون من هذا العيب ، وأصبحت مادة RuBisCO أقل دقة مع ارتفاع درجات الحرارة. وهذا يعني أن الإمدادات الغذائية قد تنخفض مع ارتفاع درجة حرارة الأرض.

يمثل الإصلاح جزءًا من برنامج يسمى تحقيق زيادة التمثيل الضوئي (RIPE) ، ويعتمد على إدخال جينات جديدة تعمل على تحسين النمو. عادةً ، يأخذ التنفس الضوئي مسارًا دائريًا ومعقدًا من خلال ثلاث عضيات خلوية مختلفة. تستهلك ATP (عملة الطاقة للخلايا) التي يجب أن تجعل المصنع أكبر وأقوى. يركز RIPE على جعل التنفس الضوئي أسرع وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

طور الفريق ثلاثة مسارات بديلة باستخدام تسلسلات وراثية جديدة. لقد قاموا بتحسين هذه المسارات عبر 1700 محطة مختلفة لتحديد أفضل الأساليب. على مدار عامين ، اختبر الباحثون التسلسل باستخدام نباتات التبغ المعدلة. إنه نبات شائع في العلوم لأن جينومه مفهوم جيدًا بشكل استثنائي.

أنتجت هذه النباتات حوالي 40 في المئة من الكتلة الحيوية أكثر من النباتات غير المعدلة. يشير ذلك إلى أن مسارات التنفس الضوئي الأكثر كفاءة توفر الطاقة الكبيرة للمصنع والتي يمكن أن تتجه نحو النمو. والخطوة التالية هي دمج الجينات في المحاصيل الغذائية مثل فول الصويا واللوبيا والأرز والطماطم.

قد يستغرق الأمر عدة سنوات لدمج جينات التنقيح الضوئي المنقحة في المحاصيل الغذائية ، والتي هي أكثر تعقيدًا من التبغ. عندئذٍ يجب اعتماد المصانع الناتجة للاستهلاك البشري من قبل المنظمين - وهذا ليس بالأمر السهل بحد ذاته ، وهناك معارضة متكررة غير علمية للمحاصيل المعدلة وراثياً. يدعم RISE المنظمات غير الربحية في جميع أنحاء العالم ، بما في ذلك مؤسسة Bill & Melinda Gates Foundation. أي بذور وضعت تحت RISE ستكون متاحة بدون حقوق ملكية.

اقرأ الآن:

  • يكتشف العلماء كيفية تعديل الجينوم النباتي لتعزيز التمثيل الضوئي
  • طاقم محطة الفضاء الدولية يأكل أول سلطة تزرع في الفضاء
  • قمح التكنولوجيا الحيوية الجديد يعطي الفطريات الأصابع دون إضافة جينات جديدة
  • قمح التكنولوجيا الحيوية الجديد يعطي الفطريات الأصابع دون إضافة جينات جديدة

نُشر في الأصل في www.extremetech.com في 7 يناير 2019.